新型变径螺钉在腰椎改良皮质骨轨迹中的有限元分析

doi:10.12307/2026.580

中国组织工程研究 ›› 2026, Vol. 30 ›› Issue (9): 2162-2171.doi: 10.12307/2026.580

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新型变径螺钉在腰椎改良皮质骨轨迹中的有限元分析

程旗圣1，居来提·买提肉孜1，肖扬2，张陈伟1，帕尔哈提·热西提2

1新疆大学，智能制造现代化产业学院，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830017；2新疆医科大学第一附属医院脊柱微创及精准骨科，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830054

收稿日期:2024-12-04 接受日期:2025-03-06 出版日期:2026-03-28 发布日期:2025-08-21
通讯作者: 居来提·买提肉孜，副教授，新疆大学，智能制造现代产业学院，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830017
作者简介:程旗圣，男，1998年生，新疆大学在读硕士，主要从事机械设计及理论研究。
基金资助:
“天山英才”医药卫生高层次人才培养计划基金(TSYC202301B026)，项目负责人：帕尔哈提·热西提；中国医学科学院第三届中国健康长寿创新大赛资助项目(2022-JKCS-19)，项目负责人：帕尔哈提·热西提

Finite element analysis of novel variable-diameter screws in modified cortical bone trajectory of lumbar vertebrae

Cheng Qisheng1, Julaiti·Maitirouzi1, Xiao Yang2, Zhang Chenwei1, Paerhati·Rexiti2

1College of Intelligent Manufacturing Modern Industry, Xinjiang University, Urumqi 830017, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China; 2Department of Minimally Invasive and Precision Orthopedics, First Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University, Urumqi 830054, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China

Received:2024-12-04 Accepted:2025-03-06 Online:2026-03-28 Published:2025-08-21
Contact: Julaiti·Maitirouzi, Associate professor, College of Intelligent Manufacturing Modern Industry, Xinjiang University, Urumqi 830017, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China
About author:Cheng Qisheng, Master candidate, College of Intelligent Manufacturing Modern Industry, Xinjiang University, Urumqi 830017, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China
Supported by:
“Tianshan Talents” Medical and Health High-level Talent Training Program Fund, No. TSYC202301B026 (to PR); Third China Health and Longevity Innovation Competition Fund Project of Chinese Academy of Medical Sciences, No. 2022-JKCS-19 (to PR)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

改良皮质骨轨迹：一种改进的腰椎内固定技术，通过接触更多皮质骨的路径置入螺钉，以提高固定稳定性。与传统椎弓根螺钉技术相比，改良皮质骨轨迹技术进钉点更靠内，对椎间盘和关节的干扰减少，旨在满足骨质疏松和腰椎退行性疾病患者的微创治疗需求。
变径螺钉：其特点在于螺钉的直径在长度方向上发生变化，这种结构设计使得螺钉在插入材料时能够更好地适应不同密度或硬度的区域，从而提高在不均匀材质中的锚定效果和承载能力。变径螺钉常用于需要增强接合强度的情况，如在骨科手术、建筑和汽车制造等领域。

摘要
背景：骨质疏松患者松质骨不足以维持螺钉把持力，脊柱内固定失败率高。腰椎传统椎弓根螺钉技术和皮质骨轨迹置钉技术仍有不足，改良皮质骨轨迹置钉技术力学性能较好，但目前尚无与其特点相匹配的螺钉。
目的：通过有限元分析法比较3种新型变径全皮质骨螺纹螺钉与非变径全皮质骨螺纹螺钉在改良皮质骨轨迹技术中的性能。
方法：根据1具成人骨质疏松尸体标本(男性，63岁)的CT数据建立L1-L5腰椎及骶骨模型，在改良皮质骨轨迹技术中分别使用3种新型变径全皮质骨螺纹螺钉(单螺纹螺钉，全长45 mm，粗杆直径5.5 mm，细杆直径4.35 mm，分别在2/3处、1/2处、1/3处进行均匀变径，变径段长8 mm)与非变径全皮质骨螺纹螺钉(单螺纹螺钉，全长45 mm、直径5.5 mm)在腰椎L4-L5进行置钉，未置钉对照组与4组置钉模型组进行有限元分析对比。通过计算腰椎活动度、内固定系统应力、L4-L5椎体应力、L4-L5椎间盘应力比较各组螺钉在改良皮质骨轨迹技术下的力学性能。
结果与结论：在前屈、后伸、侧弯、轴向旋转工况下，①2/3变径螺钉组相比对照组，腰椎整体关节活动度分别降低14.16%，23.75%，8.44%及7.17%；非变径螺钉组相比对照组，分别降低14.45%，23.97%，8.52%及7.07%；3种新型变径螺钉与非变径螺钉水平相近；②2/3变径螺钉组相比非变径螺钉组，内固定系统应力分别减少3.94%、增加20.60%、增加1.16%、减少8.59%；1/2变径螺钉组相比非变径螺钉组，内固定系统应力分别增加2.06%、减少0.05%、减少0.14%、减少5.98%；1/3组相比非变径螺钉组，内固定系统应力分别增加4.16%、增加13.96%、增加5.07%、减少4.19%；③4种置钉组椎体应力相比对照组均有升高，3种变径螺钉组相比非变径螺钉组没有明显升高；④4种置钉组固定节段椎间盘应力相比对照组均有显著降低，3种变径螺钉组相比非变径螺钉组基本相同。提示在改良皮质骨轨迹技术中，新型变径螺钉可以提供不弱于非变径螺钉的固定效果。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 改良皮质骨轨迹, 变径螺钉, 内固定, 腰椎, 骨质疏松, 有限元分析

Abstract: BACKGROUND: In osteoporotic patients, cancellous bone is insufficient to maintain screw grip and the failure rate of internal spinal fixation is high. Traditional trajectory and cortical bone trajectory screw placement techniques are still insufficient. The modified cortical bone trajectory technique has been proven to have good performance, but requires screws that match its characteristics.
OBJECTIVE: To compare the performance of three new variable-diameter all-cortical bone threaded screws with nonvariable-diameter all-cortical bone threaded screws in modified cortical bone track placement technique by finite element analysis.
METHODS: Based on the CT data of an adult osteoporosis wet body specimen (male, 63 years old), the L1-L5 lumbar vertebral and sacral model was established, and three new variable-diameter all-cortical bone thread screws (single thread screw, 45 mm in overall length, 5.5 mm in diameter for thicker rods, 4.35 mm in diameter for finer rods, and uniformly variable diameter at two-thirds, one-half, and one-third of the variable-diameter segments of 8 mm in length, respectively), were used in a modified cortical bone-track nailing technique, respectively. With the non-variable diameter full cortical bone threaded screw (single threaded screw, 45 mm in overall length, and 5.5 mm in diameter) in the lumbar spine L4-L5 nailed and modeled. The un-nailed control group and the four nailed model groups received finite element analysis comparison. The mechanical properties of the screws in each group were compared under the modified cortical bone trajectory technique by calculating the range of motion of the lumbar vertebrae, internal fixation system stress, L4-L5 vertebral body stress, and L4-L5 intervertebral disc stress.
RESULTS AND CONCLUSION: Under flexion, extension, lateral bending, and axial rotation working conditions, (1) the overall range of motion of the lumbar vertebrae was reduced by 14.16%, 23.75%, 8.44%, and 7.17% in the two-thirds group compared to the control group. The non-variable-diameter group was reduced by 14.45%, 23.97%, 8.52%, and 7.07%, respectively, compared with the control group. The three new variable-diameter screws had similar levels to the non- variable-diameter screws. (2) In the two-thirds group compared with the non-reducing screw group, the internal fixation system stress decreased by 3.94%, increased by 20.60%, increased by 1.16%, and decreased by 8.59%, respectively. In the one-half group compared with the non-reducing screw group, the internal fixation system stress increased by 2.06%, decreased by 0.05%, 0.14%, and 5.98%, respectively. In the one-third group compared with the non-reducing screw group, the internal fixation system stress increased by 4.16%, 13.96%, 5.07%, and decreased by 4.19%, respectively. (3) The vertebral body stresses in the four nailed model groups were elevated compared with the non-nailed group, and there was no significant increase in the three reducer screws group compared with the non-variable-diameter group. (4) The stress of the fixed segment of the intervertebral disc in the four nailed model groups was significantly reduced compared with the un-nailed group, and was basically the same in the three variable-diameter screw groups compared with the non-variable-diameter group. It is indicated that in the modified cortical bone trajectory technique, the new variable-diameter screws can provide a fixation effect that is not weaker than that of the non-variable-diameter screws.

Key words: modified cortical bone trajectory, variable-diameter screw, internal fixation, lumbar vertebrae, osteoporosis, finite element analysis

中图分类号:

程旗圣, 居来提·买提肉孜, 肖扬, 张陈伟, 帕尔哈提·热西提. 新型变径螺钉在腰椎改良皮质骨轨迹中的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(9): 2162-2171.

Cheng Qisheng, Julaiti·Maitirouzi, Xiao Yang, Zhang Chenwei, Paerhati·Rexiti. Finite element analysis of novel variable-diameter screws in modified cortical bone trajectory of lumbar vertebrae[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2026, 30(9): 2162-2171.

图/表（结果） 5

2.1 模型验证 对照组完整的L1-L5腰椎及骶骨模型共有705 437个网格和1 249 069个节点。将对照组的腰椎模型几何形状与真实椎体形状进行对比，形态差异不大。将对照组模型皮质骨、松质骨分布与真实椎体解剖模型进行对比，具有较好的还原性。将此次实验椎体间腰椎活动度与文献[18-21]进行对比，结果见图3。由于此次实验模型源自解剖标本CT建模，所建立的腰椎模型同文献模型存在一定的大小和结构差异，腰椎活动度数据差异不大，在合理范围内，说明此次研究建模符合要求，可用于后续实验。

2.2 腰椎活动度
2.2.1 腰椎整体活动度在前屈、后伸、侧弯、轴向旋转工况下，2/3变径螺钉组相比对照组，腰椎整体关节活动度分别降低14.16%，23.75%，8.44%及7.17%；1/2变径螺钉组相比对照组，腰椎整体活动度分别降低15.24%，25.01%，8.89%及7.50%；1/3变径螺钉组相比对照组，腰椎整体活动度分别降低14.46%，23.18%，8.51%及7.14%。非变径螺钉组相比对照组，腰椎整体活动度分别降低14.45%，23.97%，8.52%及7.07%(图4A)。
2.2.2 腰椎固定节段活动度在前屈、后伸、侧弯、轴向旋转工况下，2/3变径螺钉组相比对照组，腰椎固定节段关节活动度分别降低73.23%，94.35%，35.44%及32.05%；1/2变径螺钉组相比对照组，腰椎固定节段关节活动度分别降低71.39%，95.62%，37.52%及32.96%；1/3变径螺钉组相比对照组，腰椎固定节段关节活动度分别降低70.42%，99.80%，35.16%及33.03%；非变径螺钉组相比对照组，腰椎固定节段关节活动度分别降低70.42%，96.62%，34.70%及32.44%(图4B)。

2.3 内固定系统应力 在前屈、后伸、侧弯、轴向旋转工况下，2/3变径螺钉组相比非变径螺钉组，内固定系统最大应力分别减少3.94%、增加20.60%、增加1.16%、减少8.59%；1/2变径螺钉组相比非变径螺钉组，内固定系统最大应力分别增加2.06%、减少0.05%、减少0.14%、减少5.98%；1/3组变径螺钉相比非变径螺钉组，内固定系统最大应力分别增加4.16%、增加13.96%、增加5.07%、减少4.19%。见图5。

2.4 L4-L5椎体应力 在前屈、后伸、侧弯、轴向旋转工况下，2/3变径螺钉组相比对照组，椎体最大应力分别增加1.38%，18.77%，16.09%及5.36%；相比非变径螺钉组，椎体最大应力分别减少8.20%、增加1.00%、减少7.65%、减少0.78%。1/2变径螺钉组相比对照组，椎体最大应力分别增加7.38%、15.90%，21.22%，5.14%；相比非变径螺钉组，椎体最大应力分别减少2.76%，1.44%，3.56%及0.99%。1/3变径螺钉组相比对照组，椎体最大应力分别增加10.69%，18.77%，25.43%及14.97%；相比非变径螺钉组，椎体最大应力分别增加4.46%、增加1.00%、减少0.21%、增加8.26%。见图6。

2.5 L4-L5 椎间盘应力 在前屈、后伸、侧弯、轴向旋转工况下，2/3变径螺钉组相比对照组，固定节段椎间盘最大应力分别减少31.13%，83.02%，25.75%及30.38%；相比非变径螺钉组，固定节段椎间盘最大应力分别增加1.31%，9.34%，0.19%，0.69%。1/2变径螺钉组相比对照组，固定节段椎间盘最大应力分别减少32.10%，83.71%，26.68%及30.70%；相比非变径螺钉组，固定节段椎间盘最大应力分别减少0.12%、增加4.91%、减少1.07%、增加0.23%。1/3变径螺钉组相比对照组，固定节段椎间盘最大应力分别减少31.79%，83.94%，25.96%及30.62%；相比非变径螺钉组，固定节段椎间盘最大应力分别增加0.35%、增加3.44%、减少0.09%、增加0.35%。见图7。

参考文献

[1] DE KATER EP, SAKES A, EDSTRÖM E, et al. Beyond the pedicle screw–a patent review. Eur Spine J. 2022;31(6):1553-1565.
[2] ODEH K, ROSINSKI A, MITTAL A, et al. Does the Bone Mineral Density of the Lumbar Spine Correlate With Dual-Energy X-ray Absorptiometry T Score? A Cadaveric-Based Analysis of Computed Tomography Densitometry. Int J Spine Surg. 2023;17(1):132-138.
[3] PENG SB, YUAN XC, LU WZ, et al. Application of the cortical bone trajectory technique in posterior lumbar fixation. World J Clin Cases. 2023;11(2):255-267.
[4] SANTONI BG, HYNES RA, MCGILVRAY KC, et al. Cortical bone trajectory for lumbar pedicle screws. Spine J. 2009;9(5):366-373.
[5] 张治豪, 居来提·买提肉孜, 张连鹏, 等. 新型变径全皮质骨螺纹螺钉设计以及在腰椎改良皮质骨轨迹的应用[J]. 医用生物力学,2024, 39(1): 91-97.
[6] REXITI P, AIERKEN G, WANG S, et al. Anatomical research on strength of screw track fixation in novel cortical bone trajectory for osteoporosis lumbar spine. Am J Transl Res. 2019;11(11):6850-6859.
[7] 罗辉卿, 居来提·买提肉孜, 帕尔哈提热西提,等.不同骨密度轨迹内固定系统对腰椎L4-L5节段的影响[J]. 科学技术与工程,2021, 21(16):6626-6631.
[8] 王轶希, 居来提·买提肉孜, 王水泉, 等. 有限元分析腰椎传统椎弓根钉道和改良皮质骨钉道的生物力学性能[J]. 医用生物力学,2022, 37(3):485-491.
[9] KAHAER A, ZHOU Z, MAITIROUZI J, et al. Biomechanical Investigation of the Posterior Pedicle Screw Fixation System at Level L4-L5 Lumbar Segment with Traditional and Cortical Trajectories: A Finite Element Study. J Healthc Eng. 2022;2022:4826507.
[10] KAHAER A, MAIMAITI X, MAITIROUZI J, et al. Biomechanical investigation of the hybrid modified cortical bone screw-pedicle screw fixation technique: Finite-element analysis. Front Surg. 2022;9:911742.
[11] PASOTO SG, AUGUSTO KL, ALVARENGA JC, et al. Cortical bone density and thickness alterations by high-resolution peripheral quantitative computed tomography: association with vertebral fractures in primary Sjögren’s syndrome. Rheumatology (Oxford). 2016;55(12):2200-2211.
[12] ZHAO X, DU L, XIE Y, et al. Effect of Lumbar Lordosis on the Adjacent Segment in Transforaminal Lumbar Interbody Fusion: A Finite Element Analysis. World Neurosurg. 2018;114:e114-e120.
[13] MAKAROV SN, NOETSCHER GM, YANAMADALA J, et al. Virtual Human Models for Electromagnetic Studies and Their Applications. IEEE Rev Biomed Eng. 2017;10:95-121.
[14] REXITI P, AIKEREMU D, WANG S, et al. Cadaveric study of anatomical measurement of isthmus parameters of lumbar spine to guide cortical bone screw placement. Rev Assoc Med Bras (1992). 2022;68(6): 754-758.
[15] REXITI P, ABUDUREXITI T, ABUDUWALI N, et al. Measurement of lumbar isthmus parameters for novel starting points for cortical bone trajectory screws using computed radiography. Am J Transl Res. 2018;10(8): 2413-2423.
[16] 张连鹏, 居来提·买提肉孜, 张治豪, 等. 有限元分析改良皮质骨轨迹置钉在腰椎翻修术中的力学性能[J]. 医用生物力学,2024,39(3): 413-420.
[17] TUOHETI A, XIAO Y, WANG Y, et al. Biomechanical evaluation of modified and traditional cortical bone trajectory technique on adjacent segment degeneration in transforaminal lumbar interbody fusion-finite element analysis. BMC Musculoskelet Disord. 2024;25(1):7.
[18] HUANG YP, DU CF, CHENG CK, et al. Preserving Posterior Complex Can Prevent Adjacent Segment Disease following Posterior Lumbar Interbody Fusion Surgeries: A Finite Element Analysis. PLoS One. 2016;11(11):e0166452.
[19] YAMAMOTO I, PANJABI MM, CRISCO T, et al. Three-dimensional movements of the whole lumbar spine and lumbosacral joint. Spine (Phila Pa 1976). 1989;14(11):1256-1260.
[20] SENGUL E, OZMEN R, YAMAN ME, et al. Influence of posterior pedicle screw fixation at L4-L5 level on biomechanics of the lumbar spine with and without fusion: a finite element method. Biomed Eng Online. 2021;20(1):98.
[21] LO HJ, CHEN HM, KUO YJ, et al. Effect of different designs of interspinous process devices on the instrumented and adjacent levels after double-level lumbar decompression surgery: A finite element analysis. PLoS One. 2020;15(12):e0244571.
[22] 中国疾病预防控制中心慢性非传染性疾病预防控制中心, 中华医学会骨质疏松和骨矿盐疾病分会. 中国骨质疏松症流行病学调查报告(2018)[M]. 北京: 人民卫生岀版社,2021.
[23] WANG Y, KAHAER A, MAIMAITI A, et al. Complication, fusion, and revision rate in the lumbar cortical bone trajectory and pedicle screw fixation techniques: a systematic review and meta-analysis. J Orthop Surg Res. 2023;18(1):382.
[24] MATSUKAWA K, YATO Y. Lumbar pedicle screw fixation with cortical bone trajectory: A review from anatomical and biomechanical standpoints. Spine Surg Relat Res. 2017;1(4):164-173.
[25] WANG Y, MAIMAITI A, XIAO Y, et al. Hybrid cortical bone trajectory and modified cortical bone trajectory techniques in transforaminal lumbar interbody fusion at L4-L5 segment: A finite element analysis. Heliyon. 2024;10(5):e26294.
[26] PEREZ-ORRIBO L, KALB S, REYES PM, et al. Biomechanics of lumbar cortical screw-rod fixation versus pedicle screw-rod fixation with and without interbody support. Spine (Phila Pa 1976). 2013;38(8):635-641.
[27] 李杰, 曹帅, 郭栋, 等. 聚醚醚酮棒与钛棒在后路腰椎椎间融合中的有限元分析[J]. 中国组织工程研究,2023,27(22):3445-3450.
[28] 魏源标, 郭惠智, 张顺聪. 皮质骨轨迹螺钉固定对相邻节段影响的有限元分析[J]. 中国组织工程研究,2021,25(18):2799-2804.
[29] LI XH, SHE LJ, ZHANG W, et al. Biomechanics of extreme lateral interbody fusion with different internal fixation methods: a finite element analysis. BMC Musculoskelet Disord. 2022;23(1):134.
[30] MCLACHLIN SD, BEATON BJ, SABO MT, et al. Comparing the fixation of a novel hollow screw versus a conventional solid screw in human sacra under cyclic loading. Spine (Phila Pa 1976). 2008;33(17):1870-1875.
[31] CLAESON AA, BAROCAS VH. Computer simulation of lumbar flexion shows shear of the facet capsular ligament. Spine J. 2017;17(1): 109-119.
[32] PATEL JY, KUNDNANI VG, MERCHANT ZI, et al. Superior Facet Joint Violations in Single Level Minimally Invasive and Open Transforaminal Lumbar Interbody Fusion: A Comparative Study. Asian Spine J. 2020; 14(1):25-32.
[33] ZENG ZL, JIA L, XU W, et al. Analysis of risk factors for adjacent superior vertebral pedicle-induced facet joint violation during the minimally invasive surgery transforaminal lumbar interbody fusion: a retrospective study. Eur J Med Res. 2015;20:80.
[34] ZHANG Q, HAN XG, XU YF, et al. Robot-Assisted Versus Fluoroscopy-Guided Pedicle Screw Placement in Transforaminal Lumbar Interbody Fusion for Lumbar Degenerative Disease. World Neurosurg. 2019;125: e429-e434.
[35] 王鹏, 王健, 胡勇, 等. 下腰椎融合术后路单、双侧椎弓根固定的有限元比较研究[J]. 中国临床解剖学杂志,2016,34(3):331-337.
[36] LOTZ JC, CHIN JR. Intervertebral disc cell death is dependent on the magnitude and duration of spinal loading. Spine (Phila Pa 1976). 2000;25(12):1477-1483.

引言

传统椎弓根螺钉技术自提出以来，在临床中得到广泛应用，是腰椎螺钉内固定的金标准[1]。但骨质疏松患者的骨密度降低，松质骨更容易发生骨量流失和结构破坏[2]，导致螺钉把持力不够，容易引起螺钉松动。螺钉松动不仅影响固定效果，还因为频繁的细微位移刺激其周围的神经组织，引发患者额外的腰背疼痛，对患者生活质量造成严重影响。在临床上常采用对螺钉加长加粗的办法提高固定效果，在改善了固定效果的同时由于置入椎体内的螺钉体积更粗大，增大了对患者松质骨的破坏程度，同时也增加了椎体周围血管损伤的概率[3]。SANTONI等[4]提出了皮质骨轨迹(cortical bone trajectory，CBT)置钉技术，相比传统轨迹椎弓根螺钉内固定技术，CBT特殊的钉道大部分为皮质骨，拥有更好的力学稳定性和固定强度。但CBT技术也有不足之处，置钉点容易出现骨皮质劈裂，螺钉长度较短，螺钉尖部容易在髓核对应的上终板位置处突出而导致损伤。在CBT技术中，钉道路径没有充分利用椎弓根内侧壁的皮质骨以及椎体上终板的皮质骨，在一定程度上影响了力学性能[5]。为了使腰椎内固定系统更加稳固，REXITI等[6]在CBT技术基础上提出了改良皮质骨轨迹(modified cortical trajectory，MCBT)置钉技术。
相关研究表明，MCBT技术具有良好的生物力学性能[7-10]。但由于MCBT技术螺钉置钉点和置钉轨迹的特殊性，传统非变径椎弓根螺钉不能满足 MCBT 内固定系统的力学标准，螺钉太细不能满足固定性能，螺钉太粗易在置钉时引起骨皮质的劈裂，在一定程度上影响了腰椎融合手术的生物力学性能[5]。目前的腰椎内固定有限元研究大多采用普通非变径螺钉，针对置钉位置、角度、方法等进行差异分析，而较少采用变径螺钉进行研究分析。MCBT技术主要利用椎弓根周缘皮质骨以及上终板外侧缘皮质骨满足固定性能，因此要求采用皮质骨螺纹，在椎弓根处要尽量充分接触皮质骨，提供更大的把持力，长度要能够穿过椎体到达上终板外侧缘皮质骨处。因此，新疆医科大学第一附属医院提供了3种新型变径全皮质骨螺纹螺钉(专利号：202010956427.4)，在螺钉中段采用变径设计，目的是在改善置钉操作手感的同时尽量减小对骨质疏松患者松质骨的破坏，后段较粗接触更多皮质骨，提供不逊色于普通非变径螺钉的固定性能。
此文采用有限元方法建立L1-L5腰椎及骶骨完整模型，并分别置入新疆医科大学第一附属医院提供的3款新型变径全皮质骨螺纹螺钉和一款非变径全皮质骨螺纹螺钉，对比腰椎前屈、后伸、侧弯、扭转工况下的生物力学性能，为改良皮质骨轨迹置钉技术配合变径螺钉进一步应用于临床提供理论支持。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

材料方法

1.1 设计 有限元仿真实验。
1.2 时间及地点 实验于2024年6-9月在新疆大学智能制造现代产业学院完成。
1.3 对象 由新疆医科大学提供 1 具骨质疏松腰椎尸体标本(63岁，男性，骨密度T值< -2.5 SD)。使用 64 排螺旋 CT 机(Philips 公司，荷兰)对椎体进行扫描，层厚0.25 mm，图像数据保存为DICOM格式。此次研究方案的实施符合《赫尔辛基宣言》和新疆医科大学第一附属医院对研究的相关伦理要求(批号：20210326-04)。
1.4 仿真平台 Mimics 21.0(Materialise公司，比利时)，SolidWorks 2023(Dassault Systemes公司，法国)，Geomagic Wrap 2021(Geomagic公司，美国)，Ansys2024R1(ANSYS公司，美国)。
1.5 方法

1.5.1 腰椎椎体建模使用Mimics 21.0软件根据腰椎标本CT数据建立椎体模型。将生成的椎体模型文件导入GeomagicWrap 软件中，进行模型外形平滑处理。腰椎皮质骨平均厚度为0.73 mm[11]，考虑骨质疏松症导致的皮质骨流失，将皮质骨设置为0.6 mm厚[8]。将建立的皮质骨、松质骨在SolidWorks软件中组合装配，并建立椎间盘等结构。椎间盘上、下表面为终板，厚度设置为0.5 mm[12]。椎间盘由髓核与纤维环组成，其中髓核占椎间盘表面积约44%，纤维环占约56%[13]。将模型导入ANSYS Workbench 2024R1软件中，使用弹簧部件模拟韧带，设置材料属性、划分网格。韧带包括前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、关节囊韧带、棘上韧带、棘间韧带、横突间韧带。完整L1-L5腰椎及骶骨模型见图1A，B。

1.5.2 置钉模型建立螺钉由新疆医科大学提供，将螺钉进行数据测定并导入Solidworks进行建模。4款螺钉为3款变径螺钉与1款非变径螺钉，全长均为45 mm，螺纹采用全皮质骨螺纹，螺距2 mm，螺纹深度0.75 mm，非变径螺钉大径5.5 mm；3款变径螺钉粗杆部大径均为5.5 mm，细杆部大径为4.35 mm，变径部长度为8 mm均匀变径。根据开始变径时距离钉尖距离占螺钉全长的比例分别为2/3变径螺钉、1/2变径螺钉、1/3变径螺钉，螺钉外形见图2。

此次实验分为对照组(未置钉对照组)、2/3变径螺钉组、1/2变径螺钉组、1/3变径螺钉组、非变径螺钉组。对照组为未置钉的椎体模型，模拟腰椎未置钉时的情况。4组置钉模型均按改良皮质骨轨迹置钉技术进行置钉：在CBT(进钉点为上关节突关节中垂线与同侧横突下1 mm水平线交点，置钉方向在矢状面头偏25°，水平面外偏10°)的基础上进钉点内移2.0-3.0 mm[4]，头倾角为20°-25°，外倾角为22°[6，14-15]，螺钉尖部接触到椎体上终板处的皮质骨，见图1C，D。置钉模型均通过“布尔运算”生成钉道，分别在同一具腰椎模型上的L4-L5节段置钉。

材料属性参考既往有限元研究设置[16]，见表1。

1.5.3 边界条件与载荷设置将皮质骨、松质骨、终板、纤维环、髓核间的接触设置为绑定接触，根据临床中关节软骨和关节突之间不会分离，但又不产生滑动，将关节软骨和关节突之间设置为无分离接触。为更贴近螺钉刚置入椎体而未发生松动时的固定性能，将螺钉与椎体之间的接触设置为绑定接
触[16]。将骶骨整体设置为固定约束，并在L1椎体上表面施加400 N竖直向下的载荷模拟人体自重，在L1椎体上表面分别施加前屈、后伸、侧弯、轴向旋转的7.5 N·m的力矩[17]，模拟腰椎各方向运动。
1.6 主要观察指标 验证模型有效性后，对比未置钉对照组、1/3变径螺钉组、1/2变径螺钉组、2/3变径螺钉组、非变径螺钉组在前屈、后伸、侧弯、轴向旋转工况下的腰椎活动度、内固定系统应力、L4-L5椎体应力、L4-L5椎间盘应力。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

讨论

椎弓根螺钉虽广泛应用于腰椎退行性疾病的治疗，但对于合并骨质疏松患者而言，由于骨质疏松患者骨量低下、骨组织微结构遭到损坏[22]，不足以维持螺钉把持力，导致螺钉易松动，手术翻修率高。研究发现，CBT技术由于增大了与皮质骨的接触面积，在骨质疏松环境下展示出更好的力学性能和疗效[23-24]。
但CBT技术在应用中发现在骨质疏松较严重的环境下固定效果和持续时间等方面仍有不足[25]。MCBT技术针对CBT存在的问题进行了改进，而MCBT钉道没有与它匹配的螺钉，因此作者课题组提出了变径螺钉以求更好地发挥其优势。此文比较了骨质疏松环境下应用MCBT技术时新型变径螺钉与非变径螺钉的性能差异，分析了L4-L5腰椎置钉中新型变径螺钉与非变径螺钉在MCBT技术不同工况下椎体活动范围、内固定系统应力、椎体应力及椎间盘应力等指标的差异。
3.1 腰椎活动范围 1/2变径螺钉组在前屈、后伸、侧弯、轴向旋转工况下，相比对照组，腰椎固定节段关节活动度分别降低71.39%，95.62%，37.52%，32.96%，其中，前屈、后伸工况下固定节段活动度下降幅度相较侧弯和扭转工况下更大，表明MCBT技术对于前屈和后伸工况腰椎活动范围限制效果较为明显。
PEREZ-ORRIBO等[26]证实CBT技术在屈伸情况下稳定性较好，但在侧屈和旋转下稳定性较差。作者课题组前期的工作表明，MCBT技术在采用普通非变径螺钉时已具有较好的限制腰椎活动的性能[9-10]。此次研究中，相比对照组，置钉组均能有效降低腰椎整体活动范围；在3种新型变径螺钉组之间进行对比，腰椎活动范围没有明显差异，且与非变径螺钉组相比也无明显差异，说明3种变径螺钉均能提供和非变径螺钉相近的限制椎体活动性能。
腰椎内固定的理念是对病变节段相邻的椎体进行固定，通过放弃固定节段活动度而提高整体腰椎稳定性[27]。但腰椎内固定在增强腰椎稳定性的同时，由于手术过程不可避免地对脊柱及其周围的韧带、肌肉等组织造成一定影响，破坏了脊柱原有的生物力学特性，改变了载荷传导路径，并进而增加了邻近节段的负担，导致邻近节段退变的早期风险增大[28]。
LI等[29]研究也表明，对腰椎进行内固定术及融合术后，被固定段活动范围减小，整体腰椎的运动力学中心发生变化，进而对邻近节段产生影响。然而，邻近节段退变受到多种因素影响，与腰椎活动范围的关联性及更深层次的机制仍需进一步的研究和探索。
3.2 内固定系统应力对比内固定系统在前屈、后伸、侧弯、扭转4种工况下的应力分布云图，在MCBT技术下非变径螺钉组内固定系统应力大致为从螺钉尖部到螺钉尾部逐渐增大，大部分应力分布于螺钉靠近尾端一侧，这也是螺钉与椎体皮质骨接触的主要区域，而螺钉靠近钉尖一侧则应力较小。应力最大值分布于螺钉尾部连接处附近；这与临床中发生内固定螺钉失效断裂案例中的部位相同，也与本课题组前期研究结果一致[7]。以往的传统椎弓根螺钉钉道和CBT钉道螺钉尖部位于椎体松质骨内，
MCLACHLIN等[30]发现产生松动的椎弓根螺钉在皮质骨端固定，但头端松质骨处发生活动，即“teeter-totter”现象。MCBT钉道使螺钉头部穿过椎体，到达椎体上终板附近的皮质骨，避免了“头尾”摆动效应以及多层皮质骨固定的效果。这一特点贯彻了MCBT钉道尽量多接触皮质骨增大把持力的设计思路，增加了螺钉把持的皮质骨区域，也降低了螺钉尖部发生松动的概率。应力云图中螺钉尖部也存在一定水平的应力，证明MCBT技术下螺钉尖部也承担一部分的固定作用，进一步提高了螺钉的固定性能。同时，MCBT螺钉头部靠近椎间盘纤维环外缘，与髓核以及血管、神经等重要组织并不接近，相比之下CBT技术螺钉头部容易穿透上终板而损伤此处的邻近节段髓核，传统椎弓根螺钉技术则容易损伤邻近的关节突关节。在扭转工况下内固定系统应力高于其他3种工况，3种变径螺钉与非变径螺钉的应力大小没有明显差距。
3.3 固定节段椎体应力双侧关节突关节与前方椎间盘共同构成三关节复合体，对腰椎稳定具有重要作用[31]。进行内固定时，进钉点位置、患者自身情况和手术医师经验都可能导致小关节发生不同程度损伤。小关节损伤可能导致脊柱不稳定、术后腰背部疼痛不适，同时加速椎间盘退变，增加了术后邻近节段退变的发生率[32-33]。传统椎弓根螺钉技术的置钉点位于横突水平线与椎弓根中垂线交点处，邻近小关节，导致术中对小关节造成侵扰损伤概率增加(2.1%-30.4%)；CBT技术置钉点则距离小关节有一定距离，但仍存在螺钉尾部侵扰小关节等问题，造成患者不适感[34]。MCBT技术下置钉点则进一步远离小关节，为螺钉尾部提供了更大空间。此次实验中，同对照组的椎体应力分布比较发现，置钉组在进钉点处产生应力集中，主要分布在椎板进钉点周围的皮质骨区域。各变径组同对照组以及非变径螺钉组相比，没有明显表现出增加小关节应力水平及分布范围的趋势，显示了MCBT技术对小关节较小的损伤概率。王鹏等[35]研究表明应力集中超过正常范围后，应力越大，钉道骨质吸收越快，继而造成骨-螺钉界面不稳定，螺钉松动率增加。此次研究中，在前屈、后伸、侧弯、轴向旋转工况下各置钉组相比对照组椎体应力均有不同程度的增大，与非变径螺钉组相比，2/3变径螺钉组在大多数工况下能有效减小椎体应力，尤其是在侧弯和前屈工况下；1/2变径螺钉组也表现出一定的椎体应力减小；而1/3变径螺钉组在某些工况下则增加了椎体应力，尤其是在轴向旋转和前屈工况中。3种新型变径螺钉的椎体应力分布与非变径螺钉保持一致，主要分布于进钉点周围，相较于非变径螺钉在多数情况下保持相同或略低水平，这说明3种新型变径螺钉在进钉点周围发生螺钉松动、椎体破坏的风险较非变径螺钉没有提高。
3.4 固定节段椎间盘应力在前屈、后伸、侧弯、轴向旋转工况下，2/3变径螺钉组相比对照组，固定节段椎间盘应力分别减少31.13%，83.02%，25.75%及30.38%，相比非变径螺钉组，分别增加1.31%，9.34%，0.19%及0.69%；1/3变径螺钉组相比对照组，固定节段椎间盘应力分别减少31.79%，83.94%，25.96%及30.62%，相比非变径螺钉组，分别增加0.35%、增加3.44%、减少0.09%、增加0.35%。MCBT技术下变径螺钉与非变径螺钉都对固定阶段椎间盘表现出了良好的减压作用，而且在屈、伸情况下效果尤为显著，在前屈条件下显著降低了椎间盘前部压力，后伸条件下使椎间盘压力大幅度下降，在侧弯和轴向旋转条件下椎间盘压力也有明显下降。这表明MCBT技术对椎间盘减压具有显著效果。对腰椎进行内固定后，由于内固定系统限制了两椎体间的相对活动，承载了部分应力，从而减轻了椎体对椎间盘的压迫，从而降低了出现椎间盘受压而导致的髓核脱出压迫神经根、纤维环破裂等问题的风险[36]。3种新型变径螺钉组之间及与非变径螺钉组之间无显著差异，表明3种新型变径螺钉对椎间盘减压效果不弱于非变径螺钉。其中4组置钉组与未置钉对照组纤维环应力分布基本一致，张连鹏等[16]研究结果也表明采用MCBT 技术和CBT 技术对腰椎进行固定并不会影响固定节段纤维环的应力分布，只会减小该节段纤维环承受的应力，主要对纤维环起减压作用。
3.5 新型变径螺钉与MCBT技术的优势 REXITI等[6]基于此前的传统椎弓根螺钉、CBT等技术的问题，提出了MCBT技术，如图1C、D所示，MCBT技术在CBT的基础上向椎体中线移动进钉点，同时将钉道外扩并将钉道头倾角减小，使其与椎弓根内侧壁及下壁的骨皮质靠近[14]，从而改善CBT技术容易发生钉尖穿透椎体损伤上终板外的髓核及在骨质疏松情况下把持力不足的问题。MCBT技术钉道在椎弓根处由于向内及向下移动，接触到更多的皮质骨，并远离关节突关节，避免置钉过程中较大的螺钉尾部连接装置对关节突关节造成破坏。有研究也表明，使用MCBT技术进行手术时只需暴露峡部外侧边缘，而无需暴露整个横突，侵入性更小且更易操作，在减小手术创口、减少术中X射线暴露、减小对邻近组织损伤等方面具有优势[15]。MCBT技术性能的解剖基础是钉道进钉点和椎弓根周缘的皮质骨以及钉尖接触的上终板皮质骨。而变径螺钉进一步突出MCBT技术的特点，在提供主要固定效果的椎弓根区域直径较大，保证固定性能，而在椎体内松质骨区域则缩小直径，减小松质骨骨量损失，对于松质骨流失严重的骨质疏松患者，变径螺钉对松质骨较小的损伤具有优势。同时由于置钉点位于腰椎峡部，在使用较粗的螺钉时容易引起峡部皮质骨劈裂，所以峡部骨折是MCBT技术的禁忌证。变径螺钉前端较细便于手术医师置钉，中段直径变化过渡平缓，后段较粗契合更多皮质骨并有利于手术医师感受螺钉拧入的扭矩变化从而减少置钉点劈裂风险。
此次研究的局限性：①仅在1具椎体模型上进行计算，椎体样本数量较少；②仅建立了腰椎骨骼、椎间盘及韧带模型，没有考虑周围肌肉等组织对椎体的作用，实际上脊柱运动模式复杂，是骨骼、椎间盘、韧带和肌肉等多种结构共同作用的结果；③椎体、椎间盘和韧带材料属性较为简单；骨质疏松分为不同程度，此次研究骨质疏松参数设置只考虑了一种程度，未考虑腰椎不同程度骨质疏松下的情况。此外，未来还需开展动物实验以及进一步的临床试验，跟踪观察术后长期效果等，以更全面地验证该技术与螺钉配合应用的临床效果。
此文采用有限元分析的方法，对MCBT技术设计的3种新型变径螺钉同普通非变径螺钉进行了若干项力学性能对比。结果显示，3种新型变径螺钉在腰椎活动度、椎体应力、内固定系统应力、椎间盘应力等方面均与非变径螺钉没有明显差别，综合临床置钉风险选择变径螺钉比非变径螺钉更加安全、可靠，为骨质疏松患者进行内固定提供了一种选择。此文研究结果为MCBT技术配合新型变径全皮质骨螺纹螺钉应用于临床提供了一定的参考数据，有望在后续骨质疏松患者的腰椎内固定术中帮助临床医生优化手术方案，提高手术成功率及患者术后恢复质量。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

新型变径螺钉在腰椎改良皮质骨轨迹中的有限元分析

Finite element analysis of novel variable-diameter screws in modified cortical bone trajectory of lumbar vertebrae

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[2]	曾轩, 翁汭, 叶仕成, 唐佳栋, 莫凌, 李文超. 两种腰椎旋扳手法治疗腰椎间盘突出症：生物力学差异的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(9): 2153-2161.
[3]	刘佳富, 任茹霞, 廖州伟, 周夏丽, 吴益宏, 张少群. 颈性眩晕模型大鼠颈椎生物力学特性的三维有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(9): 2182-2190.
[4]	郑旭颖, 胡洪成, 许礼兵, 韩建民, 邸萍. 不同载荷形式和内连接形状下两段式粘接固位氧化锆种植体的应力大小和分布[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(8): 1979-1987.
[5]	胡雄科, 刘少华, 谭谦, 刘昆, 朱光辉. 紫草素干预骨髓间充质干细胞改善老年小鼠股骨的微结构[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(7): 1609-1615.
[6]	吴治林, 何秦, 王枰稀, 石现, 袁松, 张骏, 王浩. DYRK2：基于东亚和欧洲人群揭示类风湿关节炎合并骨质疏松症的治疗新靶点[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(6): 1569-1579.
[7]	张海文, 张贤, 许太川, 李超. 衰老在骨质疏松领域研究现状及趋势的文献可视化分析[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(6): 1580-1591.
[8]	黄杰, 曾浩, 王文驰, 吕柱成, 崔伟. 脂代谢影响骨质疏松症的文献可视化分析[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(6): 1558-1568.
[9]	温广伟, 甄颖豪, 郑泰铿, 周淑怡, 莫国业, 周腾鹏, 李海山, 赖以毅. 异银杏素对破骨细胞分化的影响和机制[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(6): 1348-1358.
[10]	许浩, 丁璐, 李潇. 中央螺丝机械磨损对莫氏锥度种植系统力学影响的三维有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(6): 1375-1383.
[11]	杨志杰, 赵瑞, 杨昊霖, 李小韵, 李扬博, 黄佳纯, 林燕平, 万雷, 黄宏兴. 绝经后骨质疏松症：肌肉质量、握力、四肢骨骼肌质量指数的预测价值[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(5): 1073-1080.
[12]	周坚, 张涛, 周威力, 赵星丞, 王军, 沈杰, 钱丽, 陆明. 抗阻训练对骨质疏松并肌少症患者股四头肌质量及膝关节功能的影响[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(5): 1081-1088.
[13]	高增杰, 蒲翔, 李来来, 柴艺汇, 黄华, 覃裕. 甾醇酯增加骨质疏松病理性骨折风险：来自IEU-GWAS与芬兰数据库的证据[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(5): 1302-1310.
[14]	曹文琪, 冯秀芝, 赵奕, 王智民, 陈怡然, 杨潇, 任艳玲. 巨噬细胞极化对2型糖尿病性骨质疏松症成骨-成血管偶联的影响[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(4): 917-925.
[15]	曾浩, 孙鹏程, 柴源, 黄有荣, 张驰, 章晓云. 甲状腺功能和骨质疏松症的关联：欧洲人群全基因组数据分析[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(4): 1019-1027.